Nanoparticles can be used in many ways as catalysts. To be able to tailor them in such a way that they can catalyse certain reactions selectively and efficiently, researchers need to determine the properties of single particles as precisely as possible. So far, an ensemble of many nanoparticles is analysed. However, the problem of these investigations is that the contributions of different particles interfere, so that the properties of individual particles remain concealed.
Researchers of RUB, University of Duisburg-Essen and Technical University of Munich describe a new method to observe single nanoparticles before, during and after an electrochemical reaction in the journal "Angewandte Chemie" from 16 April 2019. "For this purpose, we have created the particle at the stick," explains Professor Wolfgang Schuhmann, head of the Center for Electrochemical Sciences.
Observing the complete lifecycle
The researchers grew a catalyst nanoparticle at the tip of a carbon nanoelectrode, subsequently activated it and used it to catalyse an electrochemical reaction. They analysed changes in its shape and chemical composition after each step.
The nanoparticle performed excellently and reached turnover rates, which are comparable to industrial electrolysis devices. "However, for us it was even more important to see that the nanoassembly of electrode and particle was stable enough for a follow-up examination after catalysis," says Wolfgang Schuhmann.
The researchers could not only determine the catalytic activity of an individual nanoparticle with their methodology, but they could also monitor its shape and chemical composition throughout the entire lifecycle - completely without the interference of any other particles.
Additional Information
Original Publication: Harshitha Barike Aiyappa, Patrick Wilde, Thomas Quast, Justus Masa, Corina Andronescu, Yen-Ting Chen, Martin Muhler, Roland A. Fischer, W. Schuhmann: Oxygen evolution electrocatalysis of a single MOF-derived composite nanoparticle on the tip of a nanoelectrode, in: Angewandte Chemie International Edition, 2019, DOI: 10.1002/anie.201903283
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Partikel am Stiel
Weil sie so winzig sind, sind einzelne Nanopartikel schwer zu untersuchen. Aber genau das wollen Forscher, um später Eigenschaften von Partikeln maßschneidern zu können. Dazu haben sie sich einen Trick ausgedacht.
Nanopartikel sind vielfältig als Katalysatoren einsetzbar. Um sie so maßschneidern zu können, dass sie bestimmte Reaktionen effizient und selektiv katalysieren, müssen die Eigenschaften einzelner Partikel möglichst genau bestimmt werden. Bislang wird häufig ein Ensemble aus vielen Nanopartikeln analysiert, wobei es jedoch zu Überlagerungseffekten kommt, sodass die Eigenschaften individueller Partikel verborgen bleiben.
In der Zeitschrift "Angewandte Chemie" vom 16. April 2019 beschreiben Forscher der RUB, der Universität Duisburg-Essen und der Technischen Universität München eine neue Methode, um einzelne Nanopartikel vor, während und nach einer elektrochemischen Reaktion zu beobachten. "Zu diesem Zweck haben wir Partikel am Stiel erschaffen", erklärt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie.
Gesamten Lebenszyklus beobachten
Die Forscherinnen und Forscher ließen ein Katalysatorpartikel an der Spitze einer Kohlenstoffnanoelektrode wachsen, an der sie es anschließend aktivierten und eine chemische Reaktion katalysieren ließen. Nach jedem Schritt analysierten sie, wie sich seine Form und chemische Zusammensetzung verändert hatten.
Das Nanopartikel arbeitete äußerst effizient und erzielte Umsatzraten, die mit denen in industriellen Verfahren vergleichbar sind. "Viel wichtiger war für uns jedoch zu sehen, dass der Verbund aus Elektrode und Partikel so stabil war, dass wir ihn sogar noch nach der Katalyse weiter vermessen konnten", sagt Wolfgang Schuhmann. Mit ihrem Verfahren konnten die Forscher also nicht nur die katalytische Aktivität eines individuellen Nanopartikels bestimmen, sondern auch seine Form und chemische Zusammensetzung über den gesamten Lebenszyklus hinweg - und zwar ohne störende Einflüsse von anderen Partikeln.
Zusätzliche Info
Originale Veröffentlichung: Harshitha Barike Aiyappa, Patrick Wilde, Thomas Quast, Justus Masa, Corina Andronescu, Yen-Ting Chen, Martin Muhler, Roland A. Fischer, W. Schuhmann: Oxygen evolution electrocatalysis of a single MOF-derived composite nanoparticle on the tip of a nanoelectrode, in: Angewandte Chemie International Edition, 2019, DOI: 10.1002/anie.201903283